(57)【要約】【課題】Ｃｕ配線／Ｌｏｗ−ｋ材の積層配線構造ＬＳＩに対して，ボンディングパッドへのダメージ低減を可能とし，従来のアルミニウム配線のＬＳＩと同様な適用を可能とする狭ピッチワイヤボンディング技術を確立する。【解決手段】Ｃｕ配線／Ｌｏｗ−ｋ絶縁膜材料で多層積層配線が形成された半導体素子において、最上層のキャップ配線までＣｕ配線層ですべて形成され、Ｃｕ層で形成されたボンディングパッド部においては，  その上層にＴｉ（チタン）膜や（タングステン）膜等の高融点な中間金属層を形成し，その上層に更にアルミニウム合金層が形成されたボンディングパッド構造により達成される。【選択図】  図１
2005019493.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
銅を主成分とする配線層に連絡され、外部と電気的に連絡する外部連絡パッド部を備えた半導体装置であって、
前記配線層はＳｉＯよりも低い誘電率の第１の層間絶縁膜の上に形成され、
前記配線層の上に第２の層間絶縁膜が形成され、前記外部連絡パッド部は前記第２の層間絶縁膜の上に形成され、
前記外部連絡パット部は第１の層と、前記第１の層の上に形成される第２の層と、を備え、
前記第２の層は前記第１の層より弾性係数が高いことを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
請求項１において、前記第１の層は前記第２の層より厚いことを特徴とする半導体装置。
【請求項３】
銅を主成分とする配線層に連絡する外部と電気的に連絡するボンディングパッド部を備えた半導体装置であって、
前記配線層はＳｉＯよりも低い誘電率の第１の層間絶縁膜の上に形成され、
前記配線層の上に第２の層間絶縁膜が形成され、前記第２の層間絶縁膜の上に前記配線層と電気的に連絡するボンディングパッド部が形成され、
前記ボンディングパット部は前記配線層に電気的に連絡する第１の層と、前記第１の層の上に形成される第２の層と、前記第１の層と前記第２の層の間に形成される第３の層と、を備え、
前記第３の層は前記第１の層及び第２の層より弾性係数が高く、前記第１の層は第２の層より弾性係数が高いことを特徴とする半導体装置。
【請求項４】
請求項３において、前記第１の層は前記第２の層より厚いことを特徴とする半導体装置。
【請求項５】
請求項１において、前記ボンディング配線層の上には前記ボンディングパッド部に開口部を有する保護膜を有することを特徴とする半導体装置。
【請求項６】
半導体基板と、前記半導体基板の上に形成される半導体素子と、前記半導体素子の上に形成される第１の絶縁膜層と、前記第１の絶縁膜層の上に形成される銅を主成分とする配線層と、前記配線の上に形成される第２の層間絶縁膜と、前記第２の層間絶縁膜の上に形成され、前記配線に前記第２の層間絶縁膜に形成されたプラグを介して電気的に連絡するボンディング配線層と、前記ボンディング配線層に形成され外部接続端子が接合されるボンディングパッド部と、を有し、
前記第１の層間絶縁膜はＳｉＯより低い誘電率を有し、
前記ボンディング配線は銅を主成分とし、
前記ボンディングパッド部は前記ボンディング配線層の上に中間層が形成され、前記中間層の上にアルミニウムを主成分とするボンディング層が形成されることを特徴とする半導体装置。
【請求項７】
請求項６において、前記ボンディングパッド部には、外部を電気的に連絡されるボンディングワイヤが接合されることを特徴とする半導体装置。
【請求項８】
請求項６において、前記第２の層間絶縁膜はＳｉＯより低い誘電率を有することを特徴とする半導体装置。
【請求項９】
半導体基板と、前記半導体基板の上に形成される半導体素子と、前記半導体素子の上に形成される第１の絶縁膜層と、前記第１の絶縁膜層の上に形成される銅を主成分とする第１の配線層と、前記第１の配線の上に形成される第２の層間絶縁膜と、前記第２の層間絶縁膜の上に形成され、前記第１の配線と前記第２の層間絶縁膜に形成されたプラグを介して電気的に連絡するボンディング配線層と、前記ボンディング配線層に形成されるボンディングパッド部と、前記ボンディングパッド部に接合され外部に電気的に連絡されるボンディングワイヤを有し、
前記ボンディングワイヤ接合部は、バンプ接合径に対する接合バンプ高さ（厚さ）の比が１／５以上２／５未満と，２／５以上１／２以下の両方の範囲でワイヤボンディングされたものを備え，半分以上が２／５以上１／２以下であることを特徴とする半導体装置。
【請求項１０】
請求項１の半導体装置と、前記半導体装置が搭載される基板或はリードフレームと、前記半導体装置のボンディングパッド部と前記基板或はリードフレームとを電気的に連絡するボンディングワイヤを備え、前記ボンディングワイヤを封止するモールド樹脂と、を備えることを特徴とする半導体パッケージ。
【請求項１１】
請求項１の半導体装置と、前記半導体装置の前記ボンディングパッド部と対向して配置される基板と、前記半導体装置のボンディングパッド部と前記基板とを電気的に連絡する導電部材を備え、前記導電部材の周囲の前記半導体装置と前記基板との間に接着剤を備えることを特徴とする半導体パッケージ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
これまで半導体装置内の半導体素子間の結線にはアルミニウム合金配線が使用され、外部とボンディングワイヤ等の接続部材を用いて電気的に接続されている。これらの接続部材の接続に対する健全性低下を抑制するために、例えば特開平５−６９１５号公報（特許文献１）で開示されている発明では、絶縁膜で被覆された半導体基板上のボンディングワイヤ接続用電極パッド部分の構造において、絶縁膜がＳｉＯ膜、或いは燐珪酸ガラス（ＰＳＧ）からなり、電極パッドが下層にＡｌ膜、中間層にＴｉ化合物膜、上層にＡｌ膜の三層構造からなるように構成して、前記絶縁膜とＴｉ化合物との間の層間剥離を防止する構造を提案している。
【０００３】
【特許文献１】
特開平５−６９１５号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
半導体素子には、このアルミニウム合金膜を配線の主層とした多層積層配線が形成され、この積層配線はアルミニウム合金膜の下層にバリアメタル膜、上層にキャップメタル膜がそれぞれ積層される。バリアメタル膜は、例えば、シリコン基板のＳｉ、アルミニウム合金膜のアルミニウムそれぞれの相互拡散を防止する目的で形成される。このバリアメタル膜、アルミニウム合金、バリアメタル膜それぞれ順次積層した多層積層配線の最終配線層はボンディングパッド（外部端子）として使用される。
【０００５】
このボンディングパッドは、例えば、その表面上を被覆する最終絶縁膜（最終保護膜）に形成されたボンディング開口を通してワイヤがボンディングされる。ワイヤには主に金ワイヤが使用される。このボンディングパッド部は、ボンディング開口をマスクとして上層のキャップメタル膜がエッチングにより除去される。キャップメタル膜の除去はボンディングパッドとワイヤとのボンダビリティの向上を目的として行われる。
【０００６】
ここで使用されるバリアメタル膜は配線プロセスの世代に応じて変化しているが、半導体、特に微細プロセスを用いる先端の半導体製品では、コンタクト製の改善、ストレスマイグレーションによるアルミニウム配線の断線等の対策として、チタン（Ｔｉ）や窒化チタン（ＴｉＮ）からなるＴｉ化合物をバリアメタル膜として使用することができる。ところが、Ｔｉ化合物はＳｉＯや燐珪酸ガラス（ＰＳＧ）等の下地絶縁膜との密着性が悪いため、ワイヤボンディング時のストレスによってＴｉ化合物と下地絶縁膜との間で、層間剥離を生じることに対して前述の公知例のように層安定性を確保しようとしている。
【０００７】
しかし、Ｃｕ配線と低誘電率な絶縁材料との組み合わせで多層配線を形成する場合、一般にＬｏｗ−ｋ材と呼ばれる低誘電率の絶縁材料（誘電率：１〜３．５）は、ＳｉＯ（誘電率：４以上）等に比べて弾性係数が１／５〜１／２０程度にまで低下する。したがって，従来より非常に柔らかい下地絶縁材料の上に形成されたリジットなボンディングパッド部に対して狭ピッチなワイヤボンディングを達成しなければならず、前記公知例ではその対策について開示されていない。
【０００８】
このため本発明の目的は、  Ｃｕ配線を備え、外部連絡パッド部或はその周囲の部材へのダメージを低減し，外部連絡部材の接続性の低下を抑制した半導体装置を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するために、本発明は、以下の形態を有することができる。
【００１０】
これにより、  Ｃｕ／Ｌｏｗ−ｋ材の積層配線構造を備えた場合、外部連絡パッド部（例えば、ボンディングパッド等）或はその周囲の部材へのダメージを低減し，アルミニウム配線のＬＳＩに比べて接合性の低下を抑制した半導体装置を提供することができる。
（１）銅を主成分とする配線層に連絡され、外部と電気的に連絡する外部連絡パッド部を備えた半導体装置であって、前記配線層はＳｉＯよりも低い誘電率の第１の層間絶縁膜の上に形成され、前記配線層の上に第２の層間絶縁膜が形成され、前記外部連絡パッド部は前記第２の層間絶縁膜の上に形成され、前記外部連絡パット部は第１の層と、前記第１の層の上に形成される第２の層と、を備え、前記第２の層は前記第１の層より弾性係数が高いことを特徴とする半導体装置である。
【００１１】
なお、具体的構造例としては、前記ボンディングパット部は前記第１の配線層に電気的に連絡する第１の層と、前記第１の層の上に形成される第２の層と、前記第１の層と前記第２の層の間に形成される第３の層と、を備え、前記第３の層は前記第１の層及び第２の層より弾性係数が高く、前記第１の層は第２の層より弾性係数が高いことを特徴とする半導体装置である。
（２）または、パッド部は、前記第１の層は前記第２の層より厚いことを特徴とする半導体装置である。
（３）半導体基板と、前記半導体基板の上に形成される半導体素子と、前記半導体素子の上に形成される第１の絶縁膜層と、前記第１の絶縁膜層の上に形成される銅を主成分とする第１の配線層と、前記第１の配線の上に形成される第２の層間絶縁膜と、前記第２の層間絶縁膜の上に形成され、前記第１の配線と前記第２の層間絶縁膜に形成されたプラグを介して電気的に連絡するボンディング配線層と、前記ボンディング配線層に形成され外部接続端子が接合されるボンディングパッド部と、を有し、前記第１の層間絶縁膜はＳｉＯより低い誘電率を有し、前記ボンディング配線は銅を主成分とし、前記ボンディングパッド部は前記ボンディング配線層の上に中間層が形成され、前記中間層の上にアルミニウムを主成分とするボンディング層が形成されることを特徴とする半導体装置である。
【００１２】
または、さらに、前記中間層は、例えば、チタンタングステン、チタンナイトライド、を含むものである。
【００１３】
また、例えば、前記ボンディングパッド部には、外部を電気的に連絡されるボンディングワイヤが接合される。
【００１４】
また、前記第２の層間絶縁膜はＳｉＯより低い誘電率を有する。
【００１５】
また、前述した半導体装置について，金ワイヤを用いてワイヤボンディングを実施する際，バンプ接合径に対するバンプ接合高さのアスペクト比を２／５以上１／２以下とすることがこのましい。
（４）半導体基板と、前記半導体基板の上に形成される半導体素子と、前記半導体素子の上に形成される第１の絶縁膜層と、前記第１の絶縁膜層の上に形成される銅を主成分とする第１の配線層と、前記第１の配線の上に形成される第２の層間絶縁膜と、前記第２の層間絶縁膜の上に形成され、前記第１の配線と前記第２の層間絶縁膜に形成されたプラグを介して電気的に連絡するボンディング配線層と、前記ボンディング配線層に形成されるワイヤボンディングパッド部と、前記ボンディングパッド部に接合され外部に電気的に連絡されるボンディングワイヤを有し、前記ボンディングワイヤ接合部は、バンプ接合径に対する接合バンプ高さ（厚さ）の比が１／５以上２／５未満と，２／５以上１／２以下の両方の範囲でワイヤボンディングされたものを備え，半分以上が２／５以上１／２以下であることを特徴とする半導体装置である。
（５）前述のいずれかの形態を備えた半導体装置と、前記半導体装置が搭載される基板或はリードフレームと、前記半導体装置のボンディングパッド部と前記基板或はリードフレームとを電気的に連絡するボンディングワイヤを備え、前記ボンディングワイヤを封止するモールド樹脂と、を備えることを特徴とする半導体パッケージである。
【００１６】
例えば、ＬＳＩ搭載基板あるいはリードフレームに前述のボンディングパッド構造を有したＬＳＩが少なくとも一つ以上搭載され，前記ＬＳＩ搭載基板あるいはリードフレームに形成された電極パッド部と，請求項３記載のワイヤボンディング方法によって電気的な接続が達成され，その周囲をモールド樹脂によって封止されたことを特徴とする半導体パッケージである。
（６）前述のいずれかの形態を備えた半導体装置と、前記半導体装置の前記ボンディングパッド部と対向して配置される基板と、前記半導体装置のボンディングパッド部と前記基板とを電気的に連絡する導電部材を備え、前記導電部材の周囲の前記半導体装置と前記基板との間に接着剤を備えることを特徴とする半導体パッケージである。
例えば、ＬＳＩ搭載基板に前述のボンディングパッド構造を有したＬＳＩが少なくとも一つ以上搭載され，前記ＬＳＩ上のボンディングパッド部には請求項３記載のワイヤボンディング方式により電極バンプが形成され，前記ＬＳＩ搭載基板上に形成された電極パッド部と電気的に接続され，その周囲を接着材によって封止されたことを特徴とする半導体パッケージである。
【００１７】
なお、本発明は銅配線と低誘電率な絶縁材料（Ｌｏｗ−ｋ材）の組合わせで多層配線が構成されたＬＳＩに対して，６０ｍｍピッチ以下の外部への連絡部材が連絡するボンディングパッドを有する半導体装置において効果の実効があり好ましい。あるいはバンプ接合径に対するワイヤ径が１／２以上の狭ピッチなワイヤボンディングを実施する場合に効果の実効があり好ましい。これにより、ボンディングパッド部のパッドダメージを防止し，かつボンディング性（接合均一性）を向上させる達成させることができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
本発明の実施形態を以下に説明する。なお、本発明は、当該明細書に記載した形態に限定されるのではなく、既にある周知技術或は周知技術となった技術に基づいて修正されることを妨げるものではない。
【００１９】
図１は本発明の第一の実施例を示すＬＳＩ表面上のボンディングパッド構造の断面図である。本実施例では、半導体装置と外部装置とをボンディングワイヤにより連絡する形態の例を示す。
【００２０】
ＳｉＯよりも低誘電絶縁材料（ここでは一例としてＳｉＯＣ）から形成された層間絶縁膜が半導体基板（ここでは一例としてＳｉを用いる）の上に形成される。その上にＣｕ配線１を複数備える。Ｃｕ配線１の上のＣｕ配線１を覆う層間絶縁膜２がその上に形成され、ボンディングパッドとして利用されるＣｕのボンディング配線層１ｂは、低誘電率（Ｌｏｗ−ｋ）な絶縁膜２の表面上に形成される。ボンディング配線層１ｂは最上層に位置するＣｕ配線１とビアを介して連絡されている。初めに前記絶縁膜２の表面全面にバリアメタル膜３、ボンディングパッド部の主層としてのＣｕのボンディング配線１ｂ、次にバリアメタル膜相当の高融点金属膜である中間金属膜４、この表面に更にアルミニウム合金膜５が堆積され、最後にキャップメタル膜６が形成される。ボンディング配線層１ｂは、ボンディングパッド部とボンディングパッド部とその下層のＣｕ配線１からのビアとを連絡する層間絶縁膜上に形成される連絡配線部とを有する。
【００２１】
このように、ボンディングパッド部は第１の層であるボンディング配線１ｂの上に第２の層であるアルミ合金膜５が中間金属膜４を介して配置される。
【００２２】
前記バリアメタル膜としては例えばＴｉＷ（チタンタングステン）膜，ＴｉＮ（チタンナイトライド）膜，あるいはＴｉＮ膜をＴｉ膜でサンドイッチした三層構造の膜がスパッタ法により堆積される。これらの成分を含むバリアメタル或は中間金属膜は前記第１の層或は第二の層の下地に配置されることが好ましい。また、第２の層の外部接続部材（ここではボンディングワイヤ）が接合する領域の周囲或は、最終保護膜７に覆われる部分にも形成されることが好ましい。次にＣｕ膜がボンディングパッド部の主層として同様なスパッタ法により堆積される。次にバリアメタル膜相当の高融点金属膜として，例えばＴｉ（チタン）膜あるいはＷ（タングステン）膜をスパッタ法により堆積し，その上層にワイヤボンディング時の接合用膜としてアルミニウム合金膜、最後にキャップメタル膜が順次スパッタ法で堆積される。ここで，バリアメタル膜相当の高融点金属膜を介してＣｕ膜とアルミニウム合金膜の積層構造で構成されたボンディングパッド部の上層側配線であるアルミニウム合金膜については，例えば、最終的な厚さ（ｔ）が６００ｎｍ以上１０００ｎｍ以下になるように堆積される。次に、最上層側のキャップメタル膜６から，アルミニウム合金膜５、バリアメタル膜相当の高融点な中間金属膜４，Ｃｕ膜１ｂ，最下層のバリアメタル膜３まで順次パターニングを施し、積層配線およびこの積層配線に結線されかつ同一断面構造を有するボンディングパッドが形成される。前記パターニングは、フォトリソグラフィ技術で形成されたフォトレジストマスクを使用し、エッチングで形成される。次に、前記積層配線上およびボンディングパッド上を含む基板全面に最終保護膜７が堆積される。この保護膜は、ボンディング配線層１ｂの上に形成されており、ボンディングパッド部に開口部を有する。この最終保護膜は例えばプラズマＣＶＤ法で堆積した窒化珪素膜が使用される。次に、前記最終保護膜上を含む基板全面に樹脂膜が形成される。この樹脂膜は、ポリイミド系樹脂が使用され、２〜１０ｍｍの膜厚で形成される。次に、前記樹脂膜、最終保護膜にパターニングを施し、前記ボンヂィングパッド領域に合わせて開口部が形成される。開口部から露出されたボンディングパッド上層のキャップメタル膜６はエッチングにより除去される。このエッチングプロセスにおいて最終的なボンディングパッド部のアルミニウム合金膜の厚さ（ｔ）が６００ｎｍ以上１０００ｎｍ以下になるように最終調整される。このエッチングは例えばＣＦ４ガスを使用したプラズマエッチングで行われる。
【００２３】
このように、ボンディングパット部が最上部に位置する配線層に電気的に連絡する第１の層であるＣｕのボンディング配線１ｂと、前記第１の層の上に形成される第２の層であるＡｌ合金膜５、を備え、前記第２の層は前記第１の層より弾性係数が高くなってい特徴を有する。
【００２４】
このように、形成することにより、ｌｏｗ−ｋの層間絶縁膜を備えたＣｕ配線の半導体装置に外部との連絡部材を接合しようとする場合であっても、下地の第１層の変形に対して上層の第２層のボンディング時における変形を選択的に行わせることができるので、ボンディング時に加わる応力を低くしてボンディングパッド或はその周辺構造への影響を抑制し、ボンディング接合性を高くできる。
【００２５】
さらに、本実施例においては、ボンディングパット部は前記第１の層と、前記第１の層の上に形成される第２の層と、前記第１の層と前記第２の層の間に形成される中間層として第３の層（中間金属膜４）を備えているのでより好ましい。第３の層は前記第１の層及び第２の層より弾性係数が高い。このように、ボンディングパッドが多層構造で，内部配線と連絡する第１の層、第１の層の上に形成される第３の層、第３の層の上に形成される第２の層を有し、第３の層が最も剛性（弾性係数）が高く、第２の層は第一の層より剛性（弾性係数）が高く形成することが好ましい。
【００２６】
また、前記観点においては、具体的な形態としては、第２の層であるＡｌ合金膜５は第１の層である最終積層配線層となっているボンディング配線層１ｂより薄いことができる。これにより、Ｃｕ配線層のＯＮ特性を向上させ、剛性を向上させることができる。
【００２７】
或いは、別な観点においては、具体的な形態としては、第２の層であるＡｌ合金膜５は第１の層である最終積層配線層となっているボンディング配線層１ｂより厚くなっていることができる。これにより、Ｃｕ配線層を微細化させてトランジスタなどの半導体素子に近いところにパッド部を形成することができる。パッド部がアクティブエリアに位置するように形成したコンパクトな半導体装置を構成するために好ましい。
【００２８】
また、具体的形態としては、ボンディング配線は銅を主成分とし、ボンディングパッド部は前記ボンディング配線層の上に中間層が形成され、前記中間層の上にアルミニウムを主成分とするボンディング層が形成される。
【００２９】
また、製造工程を効率化する観点からは、Ｃｕ配線層１と前記ボンディングパッドとの間に形成される層間絶縁膜はＳｉＯより低い誘電率を有する絶縁膜で形成されていることができる。
【００３０】
あるいは、バッド部の外部接続部材接続の際の応力に耐える形態とする観点からは、Ｃｕ配線層１が形成された層に形成される層間絶縁膜（例えばＳｉＯＣ）より誘電率が低い絶縁膜（ＳｉＯ）であることができる。
【００３１】
このように、  Ｃｕ／Ｌｏｗ−ｋ材の積層配線構造を備えた場合、ボンディングパッド或はその周囲の部材へのダメージを低減し，アルミニウム配線のＬＳＩに比べてボンディング性の低下を抑制した半導体装置を提供することができる。
【００３２】
Ｃｕ配線／Ｌｏｗ−ｋ絶縁膜材料で多層積層配線が形成された半導体素子において、最上層のキャップ配線までＣｕ配線層ですべて形成され、Ｃｕ層で形成されたボンディングパッド部においては，  その上層にＴｉ（チタン）膜や（タングステン）膜等の高融点な中間金属層を形成し，その上層に更にアルミニウム合金層が形成されたボンディングパッド構造により達成される。あるいは，最上層のキャップ配線のみアルミニウム合金層で形成され、アルミニウム合金層で形成されたボンディングパッド部においては，Ｔｉ膜等の高融点な中間金属層を形成し，その上層に更にアルミニウム合金層が形成されたボンディングパッド構造の特性について以下説明する。
【００３３】
図８は、ボンディングパッド部のアルミニウム合金膜厚さに対する、バンプ接合部のアルミニウム合金膜下地のバリアメタル膜に生じた最大引張り応力を示す。層間絶縁膜が従来のＳｉＯ（弾性係数：７０〜８０ＧＰａ程度）の場合と、低誘電率のＬｏｗ−ｋ材（弾性係数：２〜１０ＧＰａ程度）を適用した場合について示されている。アルミニウム合金膜厚さが薄くなるほどバリアメタル膜の引張り応力が増加し、層間絶縁膜が従来のＳｉＯの場合では６００ｎｍ未満の厚さでバリアメタル膜の破壊強度に近い応力が発生しているのがわかる。低弾性なＬｏｗ−ｋ材を層間絶縁膜として適用すると、同じアルミニウム合金膜厚さに対して、バリアメタル膜に発生する引張り応力の最大値は４倍以上に増加し、ボンディングパッド部のダメージは避けられないことが見出された。そこでこれを回避する手段として、ボンディングパッド部アルミニウム合金膜にバリアメタル膜相当の高融点金属膜として、例えばＴｉ膜等と中間層として形成することで、ボンディングパッド部の膜質を強化し、接合均一性と下地バリアメタル層の低応力化を両立する方法を見出した。図中には，例えばＴｉ膜等を中間金属膜として形成した場合に、低誘電率のＬｏｗ−ｋ材の上層に形成されたバリアメタル膜に生じる最大引張り応力が，中間金属層が無い場合の最大引張応力に対してどの程度低下するかを矢印で示されている。図示にように低誘電率のＬｏｗ−ｋ材（弾性係数２ＭＰａ）を適用した場合でも大幅な応力低減効果がある。
【００３４】
また、前述したボンディングパッド構造において，最上層に形成されたアルミニウム合金層厚さを６００ｎｍ以上１０００ｎｍ以下にすることが好ましい。
【００３５】
このため、具体形態としては、銅配線と低誘電率な絶縁材料の組合わせで多層配線が構成された半導体装置のボンディングパッド構造において，ボンディングパッドとなる最終配線層のみ高融点金属プラグを介してアルミニウム合金層で形成され，その上層に高融点な中間金属膜が形成され，更にその上層にアルミニウム合金層を６００ｎｍ以上１０００ｎｍ以下の厚みで形成されたボンディングパッド構造である。
【００３６】
図９は、ボンディングパッド部のアルミニウム合金膜厚さに対する、バンプ接合部の塑性ひずみ分布を示す。ここでは接合性の評価指標として、バンプ接合界面の塑性ひずみが大きいほど、キャピラリ―からの超音波加振によって、接合界面に摺動変形が生じて熱拡散に伴う合金層形成が促進されると仮定している。この前提に基づくと、ボンディングパッド部のアルミニウム合金膜厚さが薄い（６００ｎｍ）と、接合界面全面に渡ってほぼ均一な塑性ひずみ分布が構成されるが、アルミニウム合金膜厚さが厚くなってくると、塑性ひずみの絶対値が全体的に低下するだけでなく、特に内周側の塑性ひずみが低下して内周側の接合性が悪化していくことがわかった。特にアルミニウム合金膜厚さが１０００ｎｍを越えた領域になると塑性ひずみの標準偏差が塑性ひずみの平均値を上回り，接合不均一性がより加速されることがわかる。
【００３７】
図１０は、ボンディングパッド部のアルミニウム合金膜厚さに対する、バンプ接合部の厚さ方向の変形分布を示す。アルミニウム合金膜厚さが厚くなると、キャピラリ―からの押付け荷重によって、接合界面がアルミニウム合金膜内部に沈み込み、バンプ接合界面内周側の変形中心がバンプとの接合界面ではなく、アルミニウム合金膜内部に移ってしまうためであることが見出された。以上のメカニズムから、バンプを均一に接合するにはアルミニウム合金膜厚さを薄くすることが効果的であることが見出された。しかしながら，図８で示したようにアルミニウム合金層厚さが６００ｎｍ未満になると直下のバリアメタル膜の限界強度に近づくこと，さらに合金層形成時のＡｌ供給が不足して合金層形成を妨げる可能性があること等を考慮し，最小膜厚として６００ｎｍ以上必要であると考えられる。したがって、接合均一性の観点とボンディングパッド部アルミニウム合金膜下地のバリアメタル膜の低応力化を両立させる上記範囲厚さが適正範囲と判断された。ここで示された適正範囲は，従来のＡｌ膜単層のワイヤボンディングパッド構造においても同様な効果が期待できるのは言うまでもない。特に本発明対象のような多層構造のワイヤボンディングパッド構造では，中間金属膜によってパッド構造が強化されているため，最上層のＡｌ膜厚は６００ｎｍ〜８００ｎｍの範囲で薄膜化して接合均一性のみを優先することが可能である。
【００３８】
図１１は，ボンディングパッドの総厚さをいずれも２０００ｎｍとして，アルミニウム合金単層で形成された場合と中間金属膜を形成した場合についてのバンプ接合部の塑性ひずみ分布を示す。アルミニウム合金層は導体抵抗が銅に比べて大きいため，特にＣｕ配線で形成されたＬＳＩに対して最終配線層であるボンディングパッドをアルミニウム合金層で形成する場合，電気特性の観点からできるだけ厚く形成した方が望ましい。しかし単層で厚くしてしまうと図９で示したのと同様接合不均一を加速してしまうため，図中に示すようにボンディングパッド中に中間金属層を形成して，中間金属層の上層側のアルミニウム合金層厚さを上記で示した適正範囲で形成し，一方ボンディングパッドの総厚さは電気特性上の観点から適正な下層側アルミニウム合金層厚さを規定すれば，図７で示したような下地パッドダメージの低減効果を得るだけでなく，接合均一性と電気特性向上の３つの課題を同時に克服することが可能になる。ボンディングパッドの下層側配線については，アルミニウム合金層で形成されても銅配線で形成されても同様であるが，銅配線を用いた方が，導体抵抗も小さく剛性は高くなるので，アルミニウム合金より薄膜化が可能である。
【００３９】
三層構造で構成されたワイヤボンディングパッド構造において，第二の層である中間層が一番剛性（弾性係数）が大きくかつ薄く，第一の層である最下層は第三の層である最上層より剛性（弾性係数）が高くかつ薄く構成されている形態にすることができる。
【００４０】
ここで，各層の剛性（弾性係数）はナノインデンター等の計測装置によって定義されたものである。
【００４１】
本実施例は配線プロセスが０．１８ｍｍ以下まで微細化したＣｕ配線とシリコンよりＬｏｗ−ｋ材料を備えたデバイスに好適である。
【００４２】
図２は本発明の第二の実施例を示すＬＳＩ上のボンディングパッド構造の断面図である。本実施例では，基本的には第一の実施例で説明した形態を用いることができる。ボンディングパッドとなる最終配線層については，最終Ｃｕ配線層１からＷ（タングステン）プラグ８を介してアルミニウム合金層５ｂで形成される。Ｃｕ配線層１の上に位置するＷプラグ周囲に形成された層間絶縁膜のみについては必ずしも低誘電率（誘電率１以上３．５以下）な材料である必要はなく，ＳｉＯ（誘電率４以上）等の酸化膜でもよい。次に第一の実施例同様，その上層にバリアメタル膜相当の高融点金属膜４、これ上層に更にアルミニウム合金膜５が堆積され、最後にキャップメタル膜６が形成される。ここでも，バリアメタル膜相当の高融点金属膜４を介してアルミニウム合金膜５，５ｂの積層構造で構成されたボンディングパッド部の上層側配線であるアルミニウム合金膜５については，最終的な厚さが６００ｎｍ以上１０００ｎｍ以下になるように堆積される。その後，第一実施例同様のパターニングが施され，ボンディングパッド部が形成される。
【００４３】
図３は本発明の第三の実施例を示すＬＳＩ上のボンディングパッド構造と前記ボンディングパッド上に接合されたボンディングワイヤの接合断面である。基本的には第一及び第二の実施例記載のプロセスにより形成されたＬＳＩ上のボンディングパッド部にワイヤボンディングが実施される。
【００４４】
ここでは、ボンディングワイヤ接合部は、バンプ接合径に対する接合バンプ高さ（厚さ）の比が１／５以上２／５未満と，２／５以上１／２以下の両方の範囲でワイヤボンディングされたものを備え，半分以上が２／５以上１／２以下であることが特徴である。
【００４５】
トーチ電流によって溶融されたボンディングワイヤ９先端の金ボールがキャピラリーと呼ばれるボンディングツールによってボンディングパッド上に一定荷重下で圧着されると同時に６０ｋ〜１２０ｋＨｚの超音波を印加され，金ボールとアルミニウム合金膜との相互熱拡散現象によってＡｕとＡｌの合金層１０が形成される。ボンディング時の接合状態に影響するボンディングパラメータにはキャピラリー形状パラメータを始めとして多数存在する。ここではこれらのボンディングパラメータを適正化することで，ボンディング完後の最終バンプ接合形状における，バンプ接合径（Ｄ１）に対するバンプ接合高さ（ｔ１）の比（バンプのアスペクト比）が２／５以上１／２以下となるようにワイヤボンディング条件が設定される。これにより，実際に接合されたワイヤボンディング形状において，バンプ接合径に対する接合バンプ高さ（厚さ）の比が１／５以上２／５未満と，２／５以上１／２以下の両方の範囲でワイヤボンディングされたものを備え，その大部分が２／５以上１／２以下であるワイヤボンディングが形成される。ここで接合径は接合断面中央部において合金層１０が形成されている領域の平均直径で定義され，バンプ高さは接合断面中央部における接合バンプの肉厚の平均で定義される。用いられるボンディングワイヤ径（Ｄ２）としては２０μｍ以下の金合金系ワイヤで，特にワイヤ径（Ｄ２）に対する接合径（Ｄ１）の比率が１／２以下（例えば２０μｍワイヤで接合径が直径４０μｍ以下）になるような狭ピッチのボンディングワイヤを実現する上で有効である。
【００４６】
ワイヤボンディングは、キャピラリーと呼ばれるボンディングツールを介して例えばＡｕワイヤがボンディングパッド部に接合される。ワイヤ先端部をトーチ電流によって溶融し形成された初期ボール（エアボール）が、１５０℃〜２５０℃の温度で前記ボンディングパッド部に押し付けられながら超音波が印加され、ボンディングパッド部のＡｌとＡｕワイヤの熱拡散によって合金層が形成されることで接合が達成される。ボンディングパッドの中心線と、隣り合うパッドの中心線との距離を通常ピッチと呼ぶが、これまでの接続ピッチは６０ｍｍ以上が主流だったのに対して、昨今の半導体チップの高密度化という技術動向に伴い、６０ｍｍを下回るような狭ピッチでのボンディングが実用化されつつある。６０ｍｍを下回るような狭ピッチでのボンディングでは、いわゆる小ボール接合という、通常４５ｍｍ以下の小さな直径を有する初期ボールを用いて接合することになる。しかしながら、小ボール接合ではある程度の接合強度が得られても、接合後の圧着径が真円とはならずにある特定の方向に過剰に変形し、昨今のような狭ピッチでは、隣り合う電極間に接合されたボール同士が接触しショートすることがある。この課題に対して、例えば特開２００２−１１０７２９で開示されている発明では、Ｃａ、Ｂｅ、貴金属元素および希土類元素のうち１種もしくは２種以上の元素を総計で２０から１０００ｗｔ．ｐｐｍ含有し残部がＡｕおよびその不可避不純物である半導体実装用のボンディングワイヤを用い、かつ、前記ボンディングワイヤを半導体部品上の電極に接合する際に使用するキャピラリ―のＣＤ径の１〜１．３倍の直径を有する初期ボールをワイヤの先端に形成してから接合する方法を提案している。これにより初期ボールの結晶粒が微細になり、かつ、等方的な初期ボールの変形を可能にすると記載されている。
【００４７】
さらに、６０ｍｍを下回るような狭ピッチでのボンディングでは、接合マージンが極端に減少してしまう問題がある。図７にワイヤボンディングの狭ピッチ化に対する、接合バンプ形状とバンプを接合するキャピラリーツールとの関係を示している。接続パッドピッチが大きい場合には、ワイヤ径に対してバンプ接合径を大きくすることができるため、キャピラリ―からの力（押付け荷重＋超音波加振）をバンプ接合界面まで十分に伝えることが可能であることがわかる。しかし、狭ピッチ化が進行するにつれてワイヤ径とバンプ接合径の差が小さくなり、キャピラリ―からの力はバンプ接合界面に部分的にしか伝わらなくなってしまうことがわかる（特に接合界面内部側に伝わらない）。接合径が小さくなった分、相似的にワイヤ径を細くすればよいが、その場合ワイヤの剛性が低下して樹脂モールド時のワイヤ流れが生じ，ワイヤ間の電気的ショートが発生しやすくなる。このため，ワイヤの細線化には限界がある。したがって、ワイヤボンディングの狭ピッチ化によってキャピラリ―からの力が局所的にか作用しなくなることで、接合界面全体を均一に接合することが従来に比べて非常に難しくなるだけでなく、キャピラリーからの負荷が局所的に作用するためボンディングパッドを破損させやすくなるという問題を生じる。
【００４８】
これに対して前述した形態にすることにより上記問題を解決することができる。
【００４９】
図１２はバンプ接合径を５０ｍｍ一定として、バンプ接合後高さが５ｍｍと２０ｍｍの場合について、バンプ接合部断面の超音波加振方向のひずみ分布と，下地バリアメタル膜に発生した引張応力分布を示す。バンプ接合後高さが５ｍｍ（アスペクト比１／１０）の場合には、バンプ接合界面の内周側と外周側でひずみの位相が反転していることがわかる。すなわち、接合界面の外側は外周方向へ広がろうと変形するのに対して、内周側は中心方向へ縮まろうと変形するため、位相反転位置では接合界面の摺動変形が生じず、かつボンディングパッド部に対して高い引張り応力を発生させる。これに対して、バンプ接合後高さが２０ｍｍ（アスペクト比２／５）になると、上記で見られたひずみの位相の反転がなくなり、接合中心に対して均一な方向へ変形が進行しているのがわかる。これにより、接合界面に対してより均一な接合を可能にするだけでなく、かつボンディングパッド部に対して低応力な接合が可能になり、ボンディングパッド部のダメージ低減に効果的であることが見出された。ただし、アスペクト比を１／２以上にすることは、球状の初期ボールを押しつぶして摺動させるプロセスからは、物理的に達成することが困難であるため、上記範囲が適正範囲と判断された。しかしながら，実際のワイヤボンディングプロセスにおいて，各バンプ形状は設計値に対してバラツキを生じることが通常であり，実際には，バンプ接合径に対する接合バンプ高さ（厚さ）の比が１／５以上２／５未満と，２／５以上１／２以下の両方の範囲でワイヤボンディングされたものを備え，その大部分が２／５以上１／２以下であることで達成される。
【００５０】
図４は本発明の第四の実施例を示す半導体パッケージ構造の断面図を示す。ＢＧＡ（Ｂａｌｌ  Ｇｒｉｄ  Ａｒｒａｙ）と呼ばれるパッケージ構造であり，最初にＬＳＩ搭載基板１１上にＬＳＩチップ１２が接着材１３を用いて接着積層され，各々のＬＳＩ上に形成されたボンディングパッド部と搭載基板側ボンディング用パッド間が各々ワイヤボンディングにより電気的に接続される。ここで少なくとも一つのＬＳＩのワイヤボンディングは，第一及び第二の実施例で示されたボンディングパッド構造を有するＬＳＩに対して実施される。なお、ここでは第二の実施例で示されたボンディングパッド構造を有する例を示す。次にワイヤボンディングの接合領域を含むＬＳＩ全体がモールド樹脂１４によって封止され，最後に前記ＬＳＩ搭載基板１１の裏面にはんだボール１５が搭載される。
【００５１】
図５は本発明の第五の実施例を示す半導体パッケージ構造の断面図を示す。ＱＦＰ（Ｑｕａｄ  Ｆｌａｔ  Ｐａｃｋａｇｅ）と呼ばれるパッケージ構造であり，最初にリードフレーム面内に形成されたチップパッド１６上にＬＳＩチップ１２が接着され，ＬＳＩチップ上に形成されたボンディングパッド部とリードフレーム面内に形成されたインナーリード１７先端部と各々ワイヤボンディングにより電気的に接続される。ここで前記ワイヤボンディングは，第一及び第二の実施例で示されたボンディングパッド構造を有するＬＳＩに対して実施される。次にワイヤボンディングの接合領域を含むＬＳＩ全体とインナーリード領域がモールド樹脂１４によって封止され，最後にアウターリード１８部が金型により成形される。
【００５２】
図６は本発明の第六の実施例を示す半導体パッケージ構造の断面図を示す。パッケージ外形は第四の実施例に示すＢＧＡと呼ばれるパッケージ構造と同様であるが，ＬＳＩ搭載基板１１に積層された一段目のＬＳＩチップ１２はワイヤボンディングではなく，一般にフリップチップ実装と呼ばれる，ＬＳＩ上のボンディングパッド部に形成された接続部材（例えば金バンプ）１９を介して直接搭載基板側の電極パッド２０と接続される。金バンプの形成方法はスタットバンプ方式とメッキバンプ方式があるが，一般にはワイヤボンディングと同様な方法によって安価に金バンプが形成できる前者で行われる。ここでスタットバンプが形成されるワイヤボンディングパッドは第一及び第二実施例で示されたボンディングパッド構造において実施される。フリップチップ実装においては，はんだ接合のように金属接合面が形成されるメタラジカルな接合方式とそれが形成されない非メタラジカルな接合方式がある。非メタラジカルな接合方式では接着材２１を介した高温下での圧着荷重によって接着材２１が硬化及び熱収縮して，ＬＳＩチップ１２上に形成された金バンプ１９と基板側電極パッド２０間で接触圧が発生し電気的な接続が達成される。したがって，  特にＣｕ配線／低誘電な絶縁材料での多層配線で形成されたＬＳＩにおいては，前記第一実施例で示されたボンディングパッド構造が圧接時のパッドダメージを防止する上でも有効となる。
【００５３】
このように、前述の実施例で開示されたボンディングパッド構造により，Ｃｕ配線／低誘電な絶縁膜で構成された多層配線構造を有するＬＳＩに対して，容易に狭ピッチなワイヤボンディングを実現することが可能となる。また、均一な接合を実現する上で適正なアルミニウム合金層厚さが規定されており，より高信頼な接合を実現することができる。また、ワイヤボンディングの狭ピッチ化に対してボンディングパッド下地薄膜部への負荷は増大することが避けられず，本発明で開示された適正なバンプ接合部構造を達成することで下地へのダメージ軽減が可能となり，接合均一性と下地ダメージ低減を両立可能な狭ピッチワイヤボンディングが可能となる。
【００５４】
このため、信頼性の高い半導体装置を提供することができる。
【００５５】
【発明の効果】
本発明により、Ｃｕ配線構造を備えた場合、外部連絡パッド或はその周囲の部材へのダメージを低減し，アルミニウム配線のＬＳＩに比べてボンディング性の低下を抑制した半導体装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第一の実施例を示す断面図。
【図２】本発明の第二の実施例を示す断面図。
【図３】本発明の第三の実施例を示す断面図。
【図４】本発明の第四の実施例を示す断面図。
【図５】本発明の第五の実施例を示す断面図。
【図６】本発明の第六の実施例を示す断面図。
【図７】ボンディングパッド径とボンディングバンプ形状の関係を示す図。
【図８】Ａｌ膜厚に対するバリアメタル膜の引張応力の解析結果例を示す図。
【図９】Ａｌ膜厚に対する接合性と接合均一性の関係を示す図。
【図１０】Ａｌ膜厚に対するバンプ接合部の変形分布示す図。
【図１１】バンプ接合部の塑性ひずみ分布示す図。
【図１２】バンプ接合部の超音波加振方向のひずみ分布とバリアメタル膜の引張応力分布示す図。
【符号の説明】
１：Ｃｕ配線層，１ｂ：ボンディング配線層，２：層間絶縁膜（低誘電材料），３：バリアメタル膜，４：中間金属膜，５：アルミニウム合金のボンディングパッド，６：キャップメタル膜，７：最終保護膜，８：タングステン（Ｗ）プラグ，９：ボンディングワイヤ，１０：接合合金層，１１：ＬＳＩ搭載基板，１２：ＬＳＩチップ，１３：接着材，１４：モールド樹脂，１５：はんだバンプ，１９：バンプ電極（金バンプ），２０：搭載基板側電極パッド，２１：封止用接着材。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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